翻耕和覆蓋對坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

裴崢，段喜明

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030801)

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翻耕和覆蓋對坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

裴崢，段喜明*

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：為了研究減小坡耕地水土流失的方法，本試驗(yàn)在人工降雨條件下，研究坡度、土壤容重和秸稈覆蓋3種因素對產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:3個(gè)因素中坡度對產(chǎn)沙量影響最大，15°坡以內(nèi)，隨著坡度增大，總產(chǎn)流量增大，總產(chǎn)沙量迅速增大。翻耕可以有效增加降雨入滲，但總產(chǎn)沙量隨著容重的減小而增大。小于10°的坡耕地翻耕至容重1.2 g·cm-3時(shí)保水效果明顯而產(chǎn)沙量增加不大。增加秸稈覆蓋可以有效減小總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量，且坡度越大減沙效果越明顯。坡耕地盡量選擇緩坡地；小于10°坡耕地翻耕至容重1.2 g·cm-3為宜，大于10°坡耕地免耕；在秸稈覆蓋率不超過80%的前提下盡量增加秸稈覆蓋。

關(guān)鍵詞：人工降雨； 坡耕地； 翻耕； 秸稈覆蓋； 產(chǎn)流； 產(chǎn)沙

黃土高原地區(qū)土層厚，降水不足且季節(jié)分布不均勻，極易造成水土流失[1～3]，獨(dú)特的環(huán)境也決定了降雨轉(zhuǎn)化為土壤水的效率是制約坡耕地發(fā)展的主要因素。加強(qiáng)坡耕地的水土保持對黃土高原地區(qū)有重要的意義[4]。現(xiàn)有研究結(jié)果表明坡耕地的坡度選擇對水土保持有重要的意義[5，6]。當(dāng)坡度大于15°時(shí)坡耕地水土流失嚴(yán)重，所以我國的坡耕地在條件允許情況下坡度大多選擇在15°以內(nèi)。不少學(xué)者也研究了翻耕改變土壤容重與水土流失及降雨入滲的聯(lián)系[7～11]。翻耕減小土壤容重有利于提高土壤含水量。近年來秸稈覆蓋的應(yīng)用得到了廣泛的認(rèn)同，秸稈覆蓋不僅可以加強(qiáng)降雨的就地入滲，而且對減小水土流失有著顯著效果[12～17]。在生產(chǎn)中當(dāng)秸稈覆蓋量超過0.4 kg·m-2(此時(shí)覆蓋率約80%)時(shí)會影響機(jī)械作業(yè)[12]，故以此覆蓋量為上限。為了尋求減小坡耕地水土流失和增加降雨入滲的方法，本試驗(yàn)在人工降雨條件下，在不同坡度上采取翻耕和秸稈覆蓋的措施，研究其對產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的影響。本試驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)為綜合考慮坡度、翻耕與覆蓋對產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的作用。

1試驗(yàn)儀器和方法

1.1試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)選在山西省呂梁市方山縣沙溝綜合觀測場進(jìn)行。沙溝綜合觀測場流域控制面積為1.78 km2，土壤質(zhì)地疏松，植被稀少，抗蝕性較差。該站于2012年3月順利通過了國家水利部的驗(yàn)收，具備了對溝道徑流泥沙監(jiān)測和坡面監(jiān)測的能力。

1.2試驗(yàn)條件與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置投影面積為1 m×3 m的徑流小區(qū)，坡向均為E90°，用pvc板圍砌小區(qū)，小區(qū)下部板留有出口用來收集小區(qū)的全部產(chǎn)流和產(chǎn)沙。原地貌土壤的容重為1.4 g·cm-3，0～20 cm土層的初始平均含水量為10%。本試驗(yàn)采用不同坡度(5°、10°和15°)，不同的容重(1.0 g·cm-3、1.2 g·cm-3和1.4 g·cm-3)和不同秸稈覆蓋量(0 kg·m-2、0.2 kg·m-2和0.4 kg·m-2)組合，每種組合重復(fù)3次，共81場降雨，試驗(yàn)處理見表1。降雨前3天將需要翻耕的小區(qū)翻耕至試驗(yàn)要求的容重。覆蓋采用已風(fēng)干的上年玉米秸稈，用鍘刀切為10 cm的小節(jié)，秸稈覆蓋量0.2 kg·m-2和0.4 kg·m-2對應(yīng)的秸稈覆蓋率分別為40%和80%。用TSJY-081型全自動便攜式人工模擬降雨器”進(jìn)行降雨，參考當(dāng)?shù)氐膶?shí)際降雨情況，雨強(qiáng)選擇1.0 mm·min-1。從降雨開始計(jì)時(shí)，記錄開始產(chǎn)流時(shí)間，并收集產(chǎn)流。降雨歷時(shí)為60 min，泥沙量用烘干法測定，對所得數(shù)據(jù)用SPSS進(jìn)行分析。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1開始產(chǎn)流時(shí)間的變化特征

(1)不同坡度條件下，開始產(chǎn)流時(shí)間t隨著坡度增加而提前，即：t5°>t10°>t15°。以容重1.2 g·cm-3為例，見圖1。

(2)不同容重條件下，開始產(chǎn)流時(shí)間隨著容重的減小而推遲，即：t1.4>t1.2>t1.0。以5°坡為例，見圖2。

(3)不同秸稈覆蓋量條件下，開始產(chǎn)流時(shí)間隨著覆蓋量的增加而推遲，即：t0.4>t0.2>t0。以10°坡為例，見圖3。

(4)顯著性分析(表2)得出，容重對開始產(chǎn)流時(shí)間影響最顯著，開始產(chǎn)流時(shí)間隨著容重的減小顯著推遲。

2.2對產(chǎn)流量的影響

2.2.1總產(chǎn)流量結(jié)果

各種組合的總產(chǎn)流量見表3。

(1)在其他條件相同情況下，降雨全過程總產(chǎn)流量隨坡度的增加而增加。以原地貌(容重為1.4 g·cm-3)為例，在不覆蓋秸稈的條件下，10°與15°的累計(jì)產(chǎn)流量比5°坡增加9.10%和35.20%。在其他容重與覆蓋量條件下呈現(xiàn)相似規(guī)律。

(2)在其他條件相同情況下，降雨全過程總產(chǎn)流量隨容重的減小而減小。以5°坡為例，在覆蓋0.4 kg·m-2秸稈的條件下，當(dāng)容重由1.4 g·cm-3減小到1.2 g·cm-3和1.0 g·cm-3時(shí)，總產(chǎn)流量減少了47.33%和62.89%。在其他坡度與覆蓋量條件下呈現(xiàn)相似規(guī)律。

(3)在其他條件相同情況，降雨全過程總產(chǎn)流量隨秸稈覆蓋量的增加而減小。以10°坡為例，在疏松土壤(容重1.0 g·cm-3)條件下，當(dāng)覆蓋量由0 kg·m-2增加到0.2 kg·m-2和0.4 kg·m-2時(shí)，總產(chǎn)流量減少了18.81%和40.27%。在其他坡度與容重條件下呈現(xiàn)相似規(guī)律。

2.2.2產(chǎn)流量預(yù)測模型

利用SPSS Statistics 22進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸分析，研究人工降雨條件下不同坡度、容重和秸稈覆蓋量對徑流全過程產(chǎn)流量的綜合影響，分析得出在雨強(qiáng)為1.0 mm·min-1、初始土壤含水量為10%的條件下，徑流全過程總產(chǎn)流量隨坡度、容重、覆蓋變化的非線性預(yù)測模型為：

VW=0.004 03α2+0.595 78α+81.986 11γ2-151.652 78γ-20.305 56c+82.532 39

R2=0.971

其中：VW為徑流全過程總產(chǎn)流量/L；α為徑流小區(qū)坡度/°；γ為土壤容重/g·cm-3；c為秸稈覆蓋量/kg·m-2。

2.2.3產(chǎn)流量分析

降雨就地入滲，增加土壤含水量對農(nóng)作物生長有著重要的意義。隨著坡度增大，徑流流速加快，土壤入滲率減小，入滲量減少，總產(chǎn)流量隨之增大。在翻耕過程中打破了土壤結(jié)皮，增加了孔隙度，有利于降雨的入滲，翻耕對減少產(chǎn)流量和增加土壤含水量都有重要的作用。秸稈覆蓋能夠有效地阻擋雨水對地表的直接打擊，抑制土壤結(jié)皮的形成和減少土壤孔隙的堵塞，促進(jìn)水分下滲，減少地表徑流量。

2.3對產(chǎn)沙量的影響

2.3.1總產(chǎn)沙量結(jié)果

各種組合的總產(chǎn)沙量見圖4。

(1)在其他條件相同情況下，降雨全過程總產(chǎn)沙量隨坡度的增加而增加。以原地貌(容重為1.4 g·cm-3)為例，在不覆蓋秸稈的情況下，10°坡和15°坡比5°坡的總產(chǎn)沙量增加了5.3倍和16.5倍。在其他容重與覆蓋量條件下呈現(xiàn)相似規(guī)律。

(2)其他條件相同情況下，降雨全過程總產(chǎn)沙量隨容重的減小而增加。以5°坡為例，在覆蓋0.4 kg·m-2秸稈的條件下，當(dāng)容重由1.4 g·cm-3減小為1.2 g·cm-3和1.0 g·cm-3時(shí)，總產(chǎn)沙量增加了51.56%和110.9%。在其他坡度與秸稈覆蓋量條件下呈現(xiàn)相似規(guī)律，且在不同坡度上翻耕導(dǎo)致的產(chǎn)沙量增加呈現(xiàn)：15°>10°>5°。

(3)在其他條件相同情況下，降雨全過程總產(chǎn)沙量隨覆蓋量的增加而減小。以10°坡為例，在疏松土壤(容重為1.0 g·cm-3)條件下，當(dāng)覆蓋量由0 kg·m-2增加到0.2 kg·m-2和0.4 kg·m-2時(shí)，總產(chǎn)沙量減少了16.37%和49.26%。在其他坡度與容重條件下呈現(xiàn)相似規(guī)律，且坡度越大秸稈覆蓋的減沙效果越明顯。

2.3.2產(chǎn)沙量預(yù)測模型

利用SPSS Statistics 22進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸分析，研究人工降雨條件下不同坡度、覆蓋和容重對徑流全過程產(chǎn)沙量的綜合影響，分析得出在雨強(qiáng)為1.0 mm·min-1、初始土壤含水量為10%的條件下徑流全過程產(chǎn)沙量隨坡度、容重、覆蓋變化的非線性預(yù)測模型為：

VS=14.667 2α2-117.072 676α-86.638 89γ2-864.355 5γ-1 692.963 89c+1 861.850 9

R2=0.895

其中：VS為徑流全過程總產(chǎn)沙量/g；α為徑流小區(qū)坡度/°；γ為土壤容重/g·cm-3；c為秸稈覆蓋量/kg·m-2。

2.3.3產(chǎn)沙量分析

土壤流失主要動力來自于降雨打擊以及降雨產(chǎn)生的地表徑流，徑流流量增大，產(chǎn)沙量也會隨之增大。隨著坡度增大，開始產(chǎn)流時(shí)間提前，總產(chǎn)流量加大，總產(chǎn)沙量隨之增大。翻耕后的地表松軟，土粒間的作用力小，易被沖刷，產(chǎn)生地表徑流后土壤流失加大。秸稈覆蓋不但減小了徑流量，而且可以有效攔截已產(chǎn)生的徑流以及其挾帶的泥沙，所以秸稈覆蓋可以有效減小水土流失。

2.4總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量相關(guān)性

通過人工降雨試驗(yàn)得出了各種條件下的總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量，利用SPSS Statistics 22進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，得出表4。

坡面徑流量與產(chǎn)沙量相關(guān)性顯著且呈正相關(guān)，徑流量越大，土壤侵蝕量越大，產(chǎn)沙量越大。因此，坡面土壤侵蝕產(chǎn)沙量與坡面產(chǎn)流量緊密相關(guān)。

注：*.在置信度(雙測)為0.05時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

Note：Different capital letters show significant difference when confidence (double) is 0.05.

3討論與結(jié)論

通過人工降雨試驗(yàn)，在1.0 mm·min-1雨強(qiáng)下，分析坡度、土壤容重和秸稈覆蓋量對坡耕地產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響，得出了如下主要結(jié)論：

(1)減小坡度、減小土壤容重與增加秸稈覆蓋量都可以延遲產(chǎn)流時(shí)間，其中減小容重效果最顯著。

(2)3個(gè)因素中改變土壤容重(翻耕)對總產(chǎn)流量的影響最大，總產(chǎn)流量隨土壤容重的減小而減小。翻耕可以加強(qiáng)降雨的就地入滲，提高土壤含水量，但土壤過分疏松會加大土壤流失，而且坡度越大土壤流失越嚴(yán)重。小于10°的坡耕地翻耕至容重1.2 g·cm-3時(shí)，總產(chǎn)流量減小明顯，總產(chǎn)沙量增加不大，所以建議翻耕至容重1.2 g·cm-3為宜。大于10°的坡耕地翻耕后產(chǎn)沙量增加明顯，建議采取免耕措施。

(3)相比土壤容重和秸稈覆蓋，坡度對總產(chǎn)沙量的影響最大，總產(chǎn)沙量隨著坡度增大迅速增大，在生產(chǎn)中選擇坡耕地時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制坡度，盡量選擇坡度小的坡耕地進(jìn)行耕種。試驗(yàn)結(jié)果表明，覆蓋秸稈后，坡度越大減沙效果越好，說明覆蓋是減小陡坡地土壤流失的重要措施。

(4)秸稈覆蓋對減少產(chǎn)流和產(chǎn)沙均有較好的效果，隨著秸稈覆蓋量的增加，總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量都明顯減少。在10°坡和容重1.0 g·cm-3條件下，當(dāng)覆蓋量由0 kg·m-2增加到0.2 kg·m-2和0.4 kg·m-2時(shí)，總產(chǎn)流量減少了18.81%和40.27%，總產(chǎn)沙量減少了16.37%和49.26%。在生產(chǎn)中應(yīng)提高秸稈的利用率，運(yùn)用秸稈覆蓋減少水土流失。建議在覆蓋量不超過0.4 kg·m-2(覆蓋率80%)的情況下盡量增加秸稈覆蓋。

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(編輯：梁文俊)

Effect of tilling and mulching on runoff yield and sediment yield in slope farmland

Pei Zheng, Duan Ximing*

(CollegeofForestry,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801，China)

Key words:Artificial rainfall； Cultivated slope land； Tilling； Straw mulch； Runoff yield； Sediment yield

Abstract:A field rainfall simulation experiment was carried out to seek a way of reducing soil and water loss in sloped lands. The effects of slope, soil bulk density and residue cover on runoff yield and sediment yield were also studied. The results showed that the effect of slope on sediment yield was greatest in the 3 factors. Runoff yield and Sediment yield increased with slope increasing within 15°. The rainfall infiltration could be effectively increased, but the total sediment yield increased with the decrease of bulk density. When soil bulk density was 1.2 g·cm-3, runoff reduced markedly with a little sediment yield increase. Residue cover could effectively decrease runoff yield and sediment yield, and the effect of sediment yield was more significant. Slope should choose small slope. Soil bulk density should choose 1.2 g·cm-3 when slope less than 10°.Slope land should choose no-tillage when slope more than 10°. We should increase the straw mulching. But the straw mulching rate should not exceed 80%.

收稿日期：2016-01-20 修回日期：2016-03-02

作者簡介：裴崢(1991-)，男(漢)，山西平遙人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)水土資源的高效利用 *通訊作者：段喜明，教授，碩士生導(dǎo)師。Tel:13935452320; E-mail:duanximing0208@sina.com

中圖分類號：S157

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-8151(2016)06-0412-05